運(yùn)算放大器 - 或您可能稱之為運(yùn)算放大器 - 長(zhǎng)期以來(lái)一直是模擬電路中的關(guān)鍵組成部分。即使在我們的數(shù)字時(shí)代也是如此，因?yàn)檫\(yùn)算放大器被用來(lái)處理有用的功能，如反饋控制、微分、加法、乘法和積分。

在數(shù)字系統(tǒng)中，它們是模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC）、數(shù)模轉(zhuǎn)換器 （DAC）、緩沖器和穩(wěn)壓電源等應(yīng)用中的便捷組件。將它們視為模擬保險(xiǎn)——它們?cè)诖_保設(shè)計(jì)中的電壓水平處于應(yīng)有的水平方面發(fā)揮著重要作用。

它們還發(fā)揮重要的信號(hào)調(diào)節(jié)作用，確保模擬信號(hào)在轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)之前是干凈的。

既然我們的設(shè)計(jì)界有更多的電池供電產(chǎn)品——其中許多都是小尺寸的——運(yùn)算放大器的功耗受到了更多的關(guān)注。對(duì)于便攜式應(yīng)用，運(yùn)算放大器必須在較低且通常為單一的正電源電壓下工作。它們還必須消耗更少的電流。但是，盡管有這些規(guī)范，一些運(yùn)算放大器仍需要在更高頻率或更低噪聲下工作，即使在消耗更少電流的情況下也是如此。

那么設(shè)計(jì)師需要做什么呢？幸運(yùn)的是，運(yùn)算放大器正在不斷發(fā)展和進(jìn)步。它們變得更加精確并提供更好的熱漂移。電源電流正在減少，零件越來(lái)越小。

一些芯片制造商提供面向特定用途的運(yùn)算放大器。例如，您可能會(huì)找到一款專為精密和低噪聲而設(shè)計(jì)的部件，或者另一款提供高電壓的部件?？赡苡械凸暮托》庋b的口味，還有一些具有低輸入偏置電流的 CMOS 輸入。對(duì)于一系列應(yīng)用來(lái)說(shuō)都是好消息，包括小型電池供電設(shè)計(jì)。

降低 I Q 以延長(zhǎng)電池壽命 另一個(gè)需要密切考慮的規(guī)格是靜態(tài)電流，即電路在不驅(qū)動(dòng)任何負(fù)載且其輸入不循環(huán)時(shí)的安靜狀態(tài)。雖然通常是標(biāo)稱的，但靜態(tài)電流確實(shí)對(duì)電池壽命有很大影響，尤其是在可穿戴設(shè)備、可聽(tīng)設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)等設(shè)備中。

此類產(chǎn)品通常設(shè)計(jì)為定期喚醒以執(zhí)行某些操作，然后滑回待機(jī)模式。其他產(chǎn)品類型，例如醫(yī)用貼片，可能會(huì)在被要求使用之前長(zhǎng)時(shí)間留在儲(chǔ)藏室的貨架上。對(duì)于所有這些產(chǎn)品，良好的用戶體驗(yàn)依賴于較長(zhǎng)的電池壽命。

電池壽命是根據(jù)中央控制單元（如微控制器）的活動(dòng)、睡眠和休眠電流計(jì)算得出的。電源為系統(tǒng)的所有功能塊提供能量。有功電流消耗對(duì)延長(zhǎng)電池壽命有重要影響，但運(yùn)行時(shí)間最終會(huì)受到每種電源模式所用時(shí)間的影響。

因此，隨著睡眠和休眠模式在設(shè)備中占據(jù)更長(zhǎng)的時(shí)間段，每個(gè)組件的待機(jī)電流變得更加關(guān)鍵。對(duì)于這些情況，電源的靜態(tài)電流是系統(tǒng)待機(jī)功耗的最大貢獻(xiàn)者。這就是為什么使用具有低靜態(tài)電流的組件構(gòu)建電源是一個(gè)好主意。

例如，考慮由具有以下規(guī)格的鋰紐扣電池供電的小型設(shè)備：

34 mAh（從 3V 到 2V 端子電壓）

每年 1% 的自放電，轉(zhuǎn)換為 39nA 自放電電流

10 年使用壽命，390nA 平均負(fù)載

現(xiàn)在，對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間處于空閑模式的設(shè)備，使用具有低靜態(tài)電流（例如納安級(jí)）的運(yùn)算放大器可以節(jié)省大量能源。例如，每分鐘啟動(dòng) 15 毫秒以進(jìn)行測(cè)量的物聯(lián)網(wǎng)傳感系統(tǒng)平均每小時(shí)使用 2.5 uA。

使用我們的物聯(lián)網(wǎng)傳感系統(tǒng)示例中的紐扣鋰電池（額定值為 34 mAh）應(yīng)該為電路供電 18.6 個(gè)月。即使在低 1.5 uA 的情況下加上運(yùn)算放大器的損耗，您也可以看到有 60% 的非?？捎^的損耗。相比之下，如果我們使用具有納安電流水平的運(yùn)算放大器，這部分造成的損耗只有 30% 左右。

滿足上市時(shí)間要求 除了用作分立元件外，運(yùn)算放大器功能還可以集成到片上系統(tǒng) （SoC） 設(shè)備中。雖然這提供了另一種選擇，但使用 SoC 進(jìn)行設(shè)計(jì)可以最大限度地降低分立元件提供的靈活性。它還可以延長(zhǎng)設(shè)計(jì)周期，因?yàn)閼?yīng)用程序開發(fā)人員必須與 SoC 供應(yīng)商合作并等待其創(chuàng)建符合設(shè)計(jì)特定規(guī)格的芯片。

然而，可穿戴設(shè)備、可聽(tīng)設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)等產(chǎn)品的開發(fā)人員面臨著相當(dāng)大的壓力，要在競(jìng)爭(zhēng)之前將他們的解決方案交到客戶手中。當(dāng)更快的上市時(shí)間至關(guān)重要時(shí)，謹(jǐn)慎的做法是使用具有低靜態(tài)電流的小型分立運(yùn)算放大器。

以 Maxim 的 MAX40007 nanoPower 運(yùn)算放大器為例，它的規(guī)格適用于小型電池供電的便攜式產(chǎn)品，例如可穿戴設(shè)備、智能手機(jī)、平板電腦和醫(yī)療設(shè)備。如圖1所示，MAX40007 運(yùn)算放大器的功耗僅為 750 nA，采用 1.1 x 0.76-mm 晶圓級(jí)封裝 （WLP）。因此可以快速設(shè)計(jì)。

圖 1：提供最大增益帶寬與電源電流比的毫微功耗運(yùn)算放大器。

憑借其小尺寸和低靜態(tài)電流，分立運(yùn)算放大器可以服務(wù)于早期設(shè)計(jì)。并且使用不會(huì)占用太多電路板空間或增加任何顯著電流消耗的分立部件可能是一個(gè)重要的上市時(shí)間優(yōu)勢(shì)。該運(yùn)算放大器采用 1.7-V 至 5.5-V 單電源供電，可由為系統(tǒng)微控制器供電的相同 1.8-V、2.5-V 或 3.3-V 標(biāo)稱電源供電。

作為最終應(yīng)用的示例，請(qǐng)考慮圖 2中所示的便攜式患者監(jiān)護(hù)設(shè)計(jì)。在處理器左側(cè)的信號(hào)鏈模塊中，您可以看到兩個(gè)運(yùn)算放大器可用于過(guò)濾來(lái)自脈搏血氧儀、安全認(rèn)證和血壓傳感器的信號(hào)，然后再由 ADC 處理。

圖 2：采用低靜態(tài)電流運(yùn)算放大器的患者監(jiān)護(hù)設(shè)計(jì)框圖。

作為一種便攜式設(shè)備，這種患者監(jiān)護(hù)設(shè)計(jì)可以受益于低靜態(tài)電流和小尺寸。

總結(jié)

自 1940 年代以早期形式出現(xiàn)以來(lái)，不起眼的運(yùn)算放大器已經(jīng)走過(guò)了漫長(zhǎng)的道路。一些人甚至認(rèn)為，隨著電子行業(yè)向數(shù)字設(shè)計(jì)發(fā)展，這部分將變得無(wú)關(guān)緊要。但運(yùn)算放大器仍然是一個(gè)關(guān)鍵的模擬組件，其設(shè)計(jì)不斷發(fā)展以滿足新興應(yīng)用的需求。特別是具有低靜態(tài)電流的超小型運(yùn)算放大器非常適合支持電池供電設(shè)備的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，例如可穿戴設(shè)備、可聽(tīng)設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)。

審核編輯：郭婷